Nepaisant dešimtmečius trukusių tyrimų, mokslininkai bando suprasti, kaip keturios pagrindinės Visatos jėgos dera tarpusavyje. Kai kvantinė mechanika gali paaiškinti, kaip trys šių jėgų dalykai veikia kartu mažiausiose skalėse (elektromagnetizmas, silpnos ir stiprios branduolinės jėgos), Bendrasis reliatyvumas paaiškina, kaip viskas elgiasi didžiausioje skalėje (t. Y. Sunkio jėgos). Šiuo atžvilgiu sunkumas išlieka kliūtis.
Norėdami suprasti, kaip gravitacija sąveikauja su mažiausiomis svarstyklėmis, mokslininkai sukūrė keletą pažangiausių eksperimentų. Vienas iš jų yra NASA šaltojo atomo laboratorija (CAL), esanti ISS, kuri neseniai pasiekė etapą sukurdama atomų debesis, žinomus kaip Bose-Einšteino kondensatai (BEC). Tai buvo pirmas kartas, kai BEC buvo sukurtos orbitoje, ir tai suteikia naujų galimybių išbandyti fizikos įstatymus.
Iš pradžių, kurį Satyendra Nath'as Bose'as ir Albertas Einšteinas prognozavo prieš 71 metus, BEC iš esmės yra ultralankūs atomai, kurių temperatūra pasiekia šiek tiek daugiau nei absoliutus nulis - taškas, kuriame atomai turėtų visiškai sustoti (teoriškai). Šios dalelės yra ilgaamžės ir tiksliai kontroliuojamos, todėl jos yra ideali platforma tiriant kvantinius reiškinius.
Tai yra CAL įrenginio, kurio tikslas yra ištirti ypatingai dideles kvantines dujas mikrogravitacijos aplinkoje, tikslas. Laboratorija buvo įrengta JAV mokslo laboratorijoje prie ISS gegužės mėn. Pabaigoje ir yra pirmoji tokio pobūdžio kosmose. Jis skirtas mokslininkų gebėjimui tiksliau išmatuoti gravitaciją ir ištirti, kaip ji sąveikauja su medžiaga mažiausiomis masteliais.
Neseniai pranešime spaudai paaiškino Robertas Thompsonas, CAL projekto mokslininkas ir NASA reaktyvinio varymo laboratorijos fizikas.
„BEC eksperimento vykdymas kosminėje stotyje yra svajonių išsipildymas. Čia buvo ilgas ir sunkus kelias, į kurį turėjau patekti, bet visiškai verta kovos, nes su šia galimybe turėsime tiek daug “.
Maždaug prieš dvi savaites CAL mokslininkai patvirtino, kad objektas pagamino BEC iš rubidžio atomų - švelnaus, sidabriškai balto metalo elemento šarmų grupėje. Anot jų pranešimo, jie buvo pasiekę net 100 nanoKelvinų temperatūrą, ty vieną dešimtį milijonų vieno Kelvino aukščiau absoliutaus nulio (-273 ° C; -459 ° F). Tai yra maždaug 3 K (–270 ° C; –454 ° F) šalčiau nei vidutinė kosmoso temperatūra.
Dėl savo unikalaus elgesio BEC apibūdinama kaip penktoji materijos būsena, besiskirianti nuo dujų, skysčių, kietų medžiagų ir plazmos. BEC atveju atomai makroskopinėje skalėje veikia labiau kaip bangos, o ne kaip dalelės, tuo tarpu toks elgesys paprastai pastebimas tik mikroskopinėje skalėje. Be to, visi atomai turi mažiausią energijos būseną ir įgauna tą pačią bangos tapatybę, padarydami juos neatskiriamus vienas nuo kito.
Trumpai tariant, atomų debesys pradeda elgtis kaip vienas „super atomas“, o ne atskiri atomai, todėl juos lengviau ištirti. Pirmieji BEC buvo sukurti laboratorijoje 1995 m., Vadovaujant mokslo komandai, kurią sudarė Erikas Kornelis, Carlas Wiemanas ir Wolfgangas Ketterle'as, kurie už savo pasiekimus pasidalijo 2001 m. Nobelio fizikos premija. Nuo to laiko Žemėje buvo atlikta šimtai BEC eksperimentų, o kai kurie iš jų net buvo išsiųsti į kosmosą sklindančiose raketose.
Tačiau KPL priemonė yra unikali tuo, kad ji yra pirmoji tokio tipo ISS, kurioje mokslininkai gali atlikti kasdienius tyrimus ilgą laiką. Priemonę sudaro dvi standartizuotos talpyklos, kurias sudaro didesnė „keturvietė spintelė“ ir mažesnė „viena spintelė“. Keturvietėje spintelėje yra CAL fizikos paketas, skyrius, kuriame CAL gamins ypač šaltų atomų debesis.
Tai atliekama naudojant magnetinius laukus arba fokusuotus lazerius, kad būtų galima sukurti trinties talpyklas, žinomas kaip „atomų gaudyklės“. Atomo debesiui susiskaidžius atomo gaudyklėje, jo temperatūra natūraliai krenta, tuo šaltesnė, tuo ilgiau jis lieka spąstuose. Žemėje, kai šie spąstai yra išjungti, dėl gravitacijos atomai vėl pradeda judėti, o tai reiškia, kad juos galima ištirti tik sekundės dalimis.
Laive, esančiame ISS, kuris yra mikrogravitacijos aplinka, BEC gali suslėgti iki šaltesnės temperatūros nei naudojant bet kurį Žemėje esantį instrumentą, o mokslininkai gali stebėti atskirus BEC penkias – dešimt sekundžių vienu metu ir pakartoti šiuos matavimus iki šešių valandų per dieną. Kadangi objektas yra valdomas nuotoliniu būdu iš JPL Žemės orbitos misijų operacijos centro, kasdienėse operacijose stotyje esančių astronautų intervencija nereikalinga.
Robertas Shotwellas, JPL astronomijos ir fizikos direktorato vyriausiasis inžinierius, projektą prižiūrėjo nuo 2017 m. Vasario mėn. Kaip jis nurodė naujausiame NASA pranešime spaudai:
„KPL yra nepaprastai sudėtinga priemonė. Paprastai BEC eksperimentuose naudojama pakankamai įrangos, kad būtų galima užpildyti kambarį, ir mokslininkams reikia beveik nuolatinio stebėjimo, tuo tarpu CAL yra maždaug nedidelio šaldytuvo dydžio ir gali būti valdoma nuotoliniu būdu nuo Žemės. Tai buvo kova ir pareikalavo didelių pastangų, kad būtų įveiktos visos kliūtys, reikalingos norint sukurti modernų įrenginį, kuris šiandien veikia kosminėje stotyje. “
Žvelgiant į priekį, CAL mokslininkai nori žengti dar toliau ir pasiekti žemesnę temperatūrą, nei pasiekta Žemėje. Be rubidžio, CAL komanda taip pat siekia sukurti BECS, naudodama du skirtingus kalio atomų izotopus. Šiuo metu CAL vis dar yra paleidimo etape, kurį sudaro operacijų komanda, atliekanti ilgus bandymų ciklus, kad pamatytų, kaip CAL įrenginys veiks mikrogravitacijoje.
Tačiau kai jos bus parengtos ir veikia, penkios mokslo grupės, įskaitant grupes, vadovaujamas Kornelio ir Ketterle'o, pirmaisiais metais įstaigoje atliks eksperimentus. Tikimasi, kad mokslo etapas prasidės rugsėjo pradžioje ir truks trejus metus. Kaip sakė JPL misijos CAL vadovas Kamal Oudrhiri:
„Yra visame pasaulyje esanti mokslininkų komanda, pasirengusi ir džiaugiamės galėdama naudotis šia galimybe. Įvairūs eksperimentai, kuriuos jie planuoja atlikti, reiškia, kad yra daug metodų, skirtų manipuliuoti ir atvėsinti atomus, kuriuos turime pritaikyti mikrogravitacijai, prieš atiduodami instrumentą pagrindiniams tyrėjams, kad būtų galima pradėti mokslines operacijas. “
Atsižvelgiant į laiką, „Cold Atom Lab“ (CAL) gali padėti mokslininkams suprasti, kaip gravitacija veikia mažiausias svarstykles. Derinant su didelės energijos eksperimentais, kuriuos atlieka CERN ir kitos dalelių fizikos laboratorijos visame pasaulyje, ilgainiui tai gali padėti sukurti visko teoriją (ToE) ir visiškai suprasti, kaip veikia Visata.
Be to, būtinai peržiūrėkite šį šaunų CAL įrenginio vaizdo įrašą (be jokio vargo!), Maloniai NASA dėka:
